СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА Российский патент 2012 года по МПК B23K35/30 C22C38/54 

Изобретение относится к производству сварочных материалов и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовлении изделий в атомном энергетическом машиностроении.

Для обеспечения надежности и долговечности оборудования металл сварного шва должен обладать комплексом технологических и служебных свойств: высокой прочностью и пластичностью, низкой температурой хрупковязкого перехода (Т_к0), стойкостью против тепловой хрупкости, отсутствием существенной деградации свойств металла шва под воздействием нейтронного облучения.

Значительная часть энергетического оборудования изготавливается из теплоустойчивой стали 15Х2НМФА, ТУ0893-013-0021279, которая содержит 1,8-2,3% Сr, 0,5-0,7% Мо, 0,10-0,12% V, 1,0-1,3% Ni обладает высокой прочностью и пластичностью при температуре эксплуатации до 350°С. Для сварки этой стали ПН АЭ Г-7-010-89 предусматривает применение сварочной проволоки марок Св-12Х2Н2МАА, ТУ14-1-2502 и Св-09ХГНМТАА-ВИ, ТУ 14-1-3675. К металлу сварных швов, выполненных этими материалами, предъявляются жесткие требования по прочностным и пластическим характеристикам, а также по критической температуре хрупкости (таблица №1). Основным недостатком применяемых в настоящее время, как сталей, так и сварочных материалов является наличие в их составе никеля до 1,3%. Высокое содержание никеля является причиной пониженной радиационной стойкости металла, что под воздействием нейтронного облучения приводит к значительному сдвигу критической температуры хрупкости в область положительных температур. При этом известно, что отрицательное влияние никеля скачкообразно возрастает при увеличении его содержания более 0,8%. С другой стороны уменьшение содержания никеля может привести к снижению вязких и пластических характеристик как стали, так и металла сварных швов, а также к повышению температуры хрупковязкого перехода (Т_к0) в исходном состоянии. Температура хрупко-вязкого перехода сварных швов, расположенных напротив активной зоны является основным фактором, лимитирующим продолжительность срока службы корпуса атомного реактора и всей АЭС в целом.

В настоящее время в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» создана сталь с повышенной радиационной стойкостью за счет снижения содержания никеля до 0,6-0,8% с сохранением высоких прочностных, пластических и вязких характеристик металла (15Х2МФА мод. Б, ТУ 108.131). Соответственно, для сварки этой стали необходимы сварочные материалы, обеспечивающие получение металла сварного шва, не уступающего радиационной стойкости основному металлу, при этом металл шва должен отвечать требованиям нормативной документации по прочностным, пластическим показателям и критической температуре хрупкости.

Как отмечалось выше, для сварки теплоустойчивых сталей применяется проволока марки Св-12Х2Н2МАА ТУ 14-1-2 5 02, содержащая в своем составе:

Углерод 0,10-0,14 Олово не более 0,005 Кремний 0,05-0,20 Мышьяк не более 0,01 Марганец 0,6-0,8 Кобальт не более 0,02 Хром 1,8-2,1 Сера не более 0,006 Никель 1,0-1,3 Фосфор не более 0,006 Молибден 0,55-0,7 Железо Остальное Медь не более 0,06    

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки марки Св-09ХГНМТАА-ВИ по ТУ14-1-3675, прототип, имеющий следующие ингредиенты, %:

Углерод 0,07-0,11 Алюминий не более 0,05 Кремний 0,17-0,30 Олово не более 0,001 Марганец 0,80-1,05 Сурьма не более 0,008 Хром 1,6-1,9 Мышьяк не более 0,01 Никель 1,0-1,3 Кобальт не более 0,02 Молибден 0,5-0,7 Азот не более 0,015 Титан 0,05-0,11 Сера не более 0,006 Ванадий не более 0,03 Фосфор не более 0,006 Медь не более 0,06 Железо Остальное

Недостатком указанного состава является низкая стойкость к радиационному охрупчиванию из за высокого содержания никеля.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение радиационной стойкости металла сварных швов при одновременном сохранении высокого уровня прочностных, пластичных и вязких характеристик металла шва.

Технический результат достигается изменением соотношения легирующих элементов, введением дополнительно в состав заявляемой сварочной проволоки ниобия и бора и снижением содержания никеля.

Предлагается состав сварочной проволоки, содержащий, мас.%:

Углерод 0,07-0,11 Медь не более 0,06 Кремний 0,15-0,25 Ванадий не более 0,03 Марганец 0,8-1,0 Олово не более 0,001 Хром 1,6-1,9 Сурьма не более 0,005 Никель 0,6-0,8 Мышьяк не более 0,005 Молибден 0,5-0,7 Кобальт не более 0,02 Титан 0,05-0,11 Азот не более 0,015 Ниобий 0,001-0,01 Сера не более 0,006 Бор 0,0001-0,001 Фосфор не более 0,006 Алюминий не более 0,02 Железо Остальное

Нормирование содержания легирующих выполнено таким образом, чтобы металл сварного шва после соответствующих технологических отпусков обеспечивал требуемый уровень важнейших механических свойств. Кроме того, для достижения необходимой стабильности основных физико-механических свойств в условиях работы корпуса атомного реактора должно соблюдаться следующее условие:

Q=(Ni+Co)²+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,85

где Q - критерий охрупчивания в условиях облучения

Увеличение вязких характеристик при пониженных температурах достигается за счет модифицирования ниобием. В указанных пределах такое легирование способствует возникновению дополнительной мелкодисперсной фазы и измельчению зерен, увеличению протяженности их границ и, как следствие, более равномерному распределению примесей по объему. Это позволяет компенсировать снижение вязких характеристик метала шва, которое происходит при уменьшении содержания в нем никеля. Дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к увеличению и укрупнению мелкодисперсной фазы, что приводит к значительному охрупчиванию металла шва в ходе послесварочных отпусков и эксплуатации при рабочих температурах. При содержании ниобия в металле шва менее 0,001% его влияние практически не прослеживается.

Снижение прочностных характеристик, связанное с уменьшением содержания никеля, компенсируется за счет введения бора. Упрочнение металла шва идет за счет создания раствора внедрения, происходит значительное искажение кристаллической решетки с повышением прочностных характеристик. Превышение указанного предела легирования ведет к резкому снижению пластических и вязких характеристик металла шва. При содержании бора в металле шва менее 0,0001% его упрочняющего влияние практически не наблюдается.

Уменьшение содержания никеля до 0,8% значительно повышает радиационную стойкость металла сварного шва. При содержании никеля более 0,8% происходит резкое снижение радиационной стойкости металла сварного шва. Снижение содержание никеля менее 0,6% ведет к снижению прочностных и вязких характеристик за счет существенного снижения прокаливаемости металла при уменьшении в нем содержания никеля.

На основании экспериментальных исследований было установлено, что на радиационное охрупчивание металла сварного шва кроме никеля и марганца также влияют такие элементы, как медь, сурьма, фосфор и олово, поэтому было ограничено их общее содержание в металле шва следующим условием:

Q=(Ni+Co)²+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn)≤0,85

Таким образом, задача создания нового состава сварочной проволоки заключается в оптимизации содержания легирующих элементов с целью обеспечения высокой стойкости к охрупчиванию под воздействием нейтронного облучения на металл сварных швов при сохранении требуемых характеристик прочности и пластичности.

При легировании сварочной проволоки вне заданных пределов, в соответствии с заявленными, состав сварочной проволоки становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к радиационному охрупчиванию, снижению характеристик пластичности и вязкости.

На производственной базе ОАО «МЗ «Электросталь» ЦНИИ КМ "Прометей" провел комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической обработке и изготовлению опытной партии сварочной проволоки. Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» были изготовлены сварные пробы в натурном сечении и проведены их испытания.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл.№2-4.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочной проволоки для изготовления корпусов реакторов АЭУ перспективных проектов выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса изделий при обеспечении повышенной безопасности.

Таблица 1 Требования, предъявляемые к механическим свойствам металла шва, выполненного автоматической сваркой проволокой марок Св-12Х2Н2МАА и Св-09ХГНМТАА-ВИ   +20° +350° Критическая температура хрупкости Т_к0 σ_в σ_0,2 δ ψ σ_в σ_0,2 δ ψ МПа % МПа % °С Требования к сварному шву 539 422 15 55 490 392 14 50 ≤0

Таблица 3 Механические свойства металла шва № плавка Механические свойства Т_к0 Т_исп=+20°С Т_исп=+350°С σ_в σ_0,2 δ ψ σ_в σ_0,2 δ ψ МПа МПа % % МПа МПа % % °С   700 620 14 56 580 510 14 51   1 710 610 13 54 560 520 15 49 +10   720 620 15 51 570 520 14 49     690 610 16 59 570 490 18 57   2 700 610 16 60 560 500 16 57 -20   690 610 15 57 560 470 16 55     670 590 18 61 550 480 17 66   3 680 590 20 65 560 480 19 68 -15   650 600 16 62 550 470 19 62     590 520 18 60 520 430 16 55   4 580 510 18 59 530 410 19 55 -5   590 500 17 59 500 410 17 58     720 630 9 35 610 550 11 35   5 710 640 8 34 610 580 9 38 +30   740 640 9 34 610 580 10 37   6 прототип 590 550 18 56 520 440 16 61   610 530 16 61 520 410 16 65 -10 630 560 15 55 510 440 15 66  

Таблица 4 Значения критической температуры хрупкости Т_к0 металла шва до и после облучения флюенсом 0,5×10²⁰ нейтр/см², сдвиг Т_к0 в результате облучения № плавки Значения Т_к0 ΔТ_к0 После сварки и высокого отпуска После нейтронного облучения 1 +5 +35 30 2 -20 -5 15 3 -15 -5 10 4 -5 0 5 5 +30 +35 5 6 (прототип) -10 +25 35

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сварочных материалов, и может быть использовано для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса при изготовление изделий в энергетическом машиностроении. Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, выполненная из сплава, содержащего, мас.%: углерод 0,07-0,11, кремний 0,15-0,25, марганец 0,8-1,0, хром 1,6-1,9, никель 0,6-0,8, молибден 0,5-0,7, титан 0,05-0,11, ниобий 0,001-0,01, медь не более 0,06, алюминий не более 0,02, ванадий не более 0,03, олово не более 0,001, сурьма не более 0,005, мышьяк не более 0,005, кобальт не более 0,02, азот не более 0,015, сера не более 0,006, фосфор не более 0,006 и железо - остальное. Критерий охрупчивания при облучении Q не превышает 0,85, где Q=(Ni+Co)²+1,5Cu+0,2Mn+P+0,25(Sb+Sn). Технический результат - повышение радиационной стойкости металла сварных швов при одновременном сохранении высокого уровня прочностных, пластичных и вязких характеристик металла шва. 4 табл.

Сварочная проволока для автоматической сварки теплоустойчивых сталей перлитного класса, выполненная из сплава, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, медь, алюминий, ванадий, олово, сурьму, мышьяк, кобальт, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что сплав дополнительно содержит ниобий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,07-0,11 Кремний 0,15-0,25 Марганец 0,8-1,0 Хром 1,6-1,9 Никель 0,6-0,8 Молибден 0,5-0,7 Титан 0,05-0,11 Ниобий 0,001-0,01 Медь не более 0,06 Алюминий не более 0,02 Ванадий не более 0,03 Олово не более 0,001 Сурьма не более 0,005 Мышьяк не более 0,005 Кобальт не более 0,02 Азот не более 0,015 Сера не более 0,006 Фосфор не более 0,006 Железо остальное,